Pour satisfaire les ambitions des opérateurs de réseau, des fournisseurs de contenu, des équipementiers et des utilisateurs, les prochaines générations de téléphones mobiles devront concentrer une quantité impressionnante de nouveaux circuits dans des boîtiers ayant pratiquement les mêmes dimensions que ceux actuellement en service. Ces fonctions supplémentaires, autres que l'appel téléphonique de base, sont notamment les traitements audio et vidéo, la localisation, la cartographie, la photo, la TV numérique, l'accès Internet et les jeux. Les fabricants d'appareils portables sont tenus de proposer un grand nombre de produits incorporant différentes combinaisons de ces fonctions. Aujourd'hui par exemple, un téléphone mobile digne de ce nom intègre un appareil photo, doté d'une résolution supérieure à 3 Mpixels et d'un flash performant, mais aussi un lecteur MP3 ainsi qu'une connectivité Wap.

Pour répondre à ces exigences diverses, rapidement et de manière économique, les architectures des portables sont devenues plus souples, autorisant l'ajout d'applications haut de gamme sous forme de modules indépendants. Le matériel est partitionné en implantant le coeur des éléments de communication comme le codec vocal, le codec audio-stéréo, les fonctions de commutation et de cheminement du signal, sur une carte principale qui sert de base à toute la gamme de produits. Par contre, le traitement applicatif associé à un appareil photo numérique, ou à une autre option complexe tel un récepteur GPS, est implanté à part. L'accès à ce traitement se fait via une interface mémoire de correspondance qui est commune à toutes les variantes utilisant la même carte principale. Cette interface générique peut être réalisée avec une Sram double accès, de la logique de glu programmable et les signaux adéquats.

Une telle structure a l'avantage de permettre l'intégration « plug-and-play » de différents moteurs d'application, réduisant les délais de développement et accélérant le lancement des produits. De plus, cette approche modulaire simplifie l'homologation de multiples variantes d'un téléphone portable car, d'un modèle à l'autre, il n'y a aucune modification de la carte principale contenant les circuits GSM bande de base et RF.

Prenons l'exemple d'une fonction qui sera de plus en plus présente dans les combinés haut de gamme : la télévision numérique à la norme DVB-H. Ce standard a été spécialement développé pour permettre la diffusion de contenu diffusé de haute qualité dans le respect des contraintes de traitement et de consommation des appareils portables. Un certain nombre de tuners DV B-H mono circuits sont désormais disponibles. En les accompagnant d'un amplificateur faible bruit (LNA), d'un démodulateur, d'un codec vidéo et des traitements applicatifs adéquats, on obtient un récepteur de télévision compact.

Comme l'illustre la figure 1, l'implantation d'une interface générique, telle que décrite ci-dessus, facilite la connexion d'un module fonctionnel à la carte principale. Il est clair que la solution doit être non seulement compacte mais aussi très simple à assembler, rapidement et en volumes élevés, tout en offrant la souplesse requise pour adapter le sous-système applicatif convenant le mieux au modèle à produire.

Construire le module d'application, en l'occurrence le récepteur TV, sur un circuit imprimé flexible (FPC) se connectant directement à la carte principale permet un assemblage rapide, facile et sans défaut, avec en plus la liberté de pouvoir placer ce module à l'endroit le plus pratique à l'intérieur du boîtier. Des directives pour l'utilisation de FPC, qu'il soit simple ou multicouche, sont fournies dans la norme IPC-2223. Elles recommandent, par exemple, qu'un FPC simple couche soit courbé selon un rayon minimum équivalent à six fois l'épaisseur du circuit. Or, l'épaisseur d'un substrat polyimide simple couche étant typiquement de 0,15 mm, ceci suggère un rayon de 0,9 mm, autorisant un espace très étroit entre la carte principale et le module applicatif. Par ailleurs, le substrat FPC peut être préformé lors de la fabrication pour obtenir des courbures plus fermées. C'est une façon d'offrir aux concepteurs encore plus d'options pour positionner et donner la forme idéale au module et à ses interconnexions, maximisant l'utilisation de l'espace dans les limites d'un boîtier compact.

Tous les composants d'un circuit complet peuvent être assemblés sur un substrat flexible, qu'il s'agisse de boîtiers matriciels comme ceux des CPLD, FPGA et mémoires ou de composants discrets. Les paramètres du processus d'assemblage sont aujourd'hui parfaitement établis puisque des millions de COF (Chip-on-flex) et de FCOF (Flip-chip-on-flex) sont produits chaque mois pour les écrans LCD et les disques durs. Notons que des raidisseurs sont applicables à certains endroits du FPC afin d'accroître la maîtrise de la pose des circuits intégrés. Il est également possible d'utiliser un substrat composite de type flex-rigide.

Les fabricants de FPC peuvent produire des substrats comportant jusqu'à seize couches, permettant le montage direct de FPGA ou de mémoires, dotés d'un nombre élevé d'E/S et exigeant donc un routage complexe. Dans ce cas, des technologies évoluées, avec vias aveugles et enterrés, sont disponibles et tout à fait compatibles avec des substrats flex-rigides. Remarquons que l'emploi de raidisseurs s'avère une solution plus économique que l'emploi de matériau flex-rigide, si la contrainte porte sur un circuit imprimé rigide comprenant seulement quelques couches. Enfin, de très faibles largeurs de piste et distances entre pistes sont possibles, jusqu'à 0,06 mm, autorisant un routage haute densité et un placement de la même teneur que ceux d'un circuit FR4 rigide.

La figure 2 illustre comment un module optionnel, ici un récepteur DVB-H, peut être monté sur FPC, puis physiquement connecté à la carte principale du téléphone portable à l'aide d'un connecteur FPC standard extra-plat. La compacité de l'ensemble du produit est largement redevable à la flexibilité et du petit rayon de courbure du substrat.

Les FPC sont mis en oeuvre depuis longtemps dans les téléphones portables pour relier les différents sous-ensembles, tels que le clavier et l'écran, à la carte principale. En effet, le circuit imprimé flexible assure un assemblage rapide et aisé du produit, tout en éliminant de nombreux risques d'erreur. Cependant, pour suivre la mode qui est le moteur majeur du format des téléphones mobiles, les connecteurs FPC ont dû réduire leur taille et leur pas d'interconnexion. Résultat : c'est pour les connecteurs FPC que les fabricants ont la stratégie d'évolution la plus agressive par rapport à tous les autres styles d'interconnexion hors carte.

Actuellement, le pas des connecteurs FPC disponibles peut être de seulement 0,3 mm et leur hauteur, une fois montés, descend jusqu'à 0,9 mm pour les modèles extra-plats les plus avancés, ce qui est comparable à celle d'une résistance. Un connecteur FPC se fixe et se verrouille très rapidement lors de la fabrication. Les dispositifs de verrouillage évitent aussi de nombreux risques de défaut ; les systèmes à verrouillage arrière assurent la meilleure protection contre un débranchement sur le terrain. Plusieurs techniques sont acceptables pour relier ces connecteurs aux circuits imprimés flexibles : par soudure à la main ou à la vague, par sertissage ou par simple insertion dans le cas des modèles ZIF (Zero insertion force).

Un autre développement significatif concerne l'avènement des connecteurs FPC-FPC qui constitue une solution pratique pour attacher deux circuits imprimés flexibles entre eux. Ce style de connecteurs encourage fortement la modularité. La figure 3 montre comment un même module fonctionnel peut servir à différentes plates-formes, de tailles et formes diverses. Cette mise en commun sur plusieurs gammes de produits permet aux concepteurs de réaliser des économies d'échelle, réduisant les coûts et les délais de fabrication. Avec une interconnexion FPC-FPC, les concepteurs diminuent également les découpes complexes, minimisant les chutes de substrat polyimide coûteux (figure 4).

Les avantages liés à l'emploi de FPC dans un système, tels l'extension facile et économique des fonctionnalités, l'amélioration des performances, la réduction des coûts et la mise sur le marché rapide des produits, intéressent aussi d'autres marchés que celui de la radiotéléphonie. Citons, par exemple, les appareils de navigation par satellite qui sont en demande croissante. Leurs utilisateurs exigent toujours plus d'options, pour des prix concurrentiels évidemment. Même si la pression pour des petites dimensions et des cycles de vie du produit plus court est moins forte dans ces secteurs d'application, dans la pratique, les concepteurs tendent à implanter de nouvelles fonctions hors de la carte principale pour minimiser les coûts de développement. La finesse du pas, le grand nombre de contacts et la fiabilité élevée des interconnexions FPC sont les qualités majeures pour cette approche modulaire.

Un autre atout de l'implantation de circuiterie sur substrat flexible extérieure à la carte principale est la facilité d'assemblage en usine. Pour les systèmes qui sont assemblés en Europe, comme les GPS et les instruments médicaux électroniques, les fournisseurs ont tout intérêt à réduire au maximum les temps de formation et de fabrication, liés aux procédures d'assemblage manuelles complexes, afin d'obtenir des produits rentables. Or, les caractéristiques de connexion rapide des connecteurs FPC, combinées à des risques de défaut négligeables, assurent un assemblage rapide et un rendement élevé.

Les circuits imprimés flexibles investissent rapidement le domaine des instruments médicaux. La souplesse extrême du substrat est inestimable, surtout quand les contraintes d'encombrement et de forme sont très strictes. Aujourd'hui, la confiance croissante des praticiens vis-à-vis des thérapies domestiques active la demande pour de nombreux appareils destinés à surveiller les signes vitaux, comme la tension artérielle, les dosages sanguins, la fréquence cardiaque ou la température du corps. Ceci génère donc un besoin en diverses variantes d'appareils médicaux à des prix concurrentiels. Les circuits imprimés flexibles offrent donc à ce marché l'occasion d'accroître la modularité de ces produits. Enfin, un tel emploi astucieux des FPC pour des extensions rapides facilite la certification, selon les spécifications de la Directive Appareils Médicaux de l'UE, de produits « cousins » ou d'évolutions futures.